ADCP非实测区流速推算软件的设计与实现.docx

1、第1期2008年3月NalMar,2008气象水丈海洋仪器Meteorological,HydrologicalandMarineInstrumentsADCP非实测区流速推算软件的设计与实现张辉】，危起伟2,杨德国(1.华中农业大学水产学院，武汉430070,2.中国水产科学研究院长江水产研究所，荆州434000)摘要:ADCP广泛应用于河流流量测验，但其在断面流量测验过程中存在着非实测区，这给需要这些区域流速的实际应用带来了不便。根据已有文献关于明渠垂线流速分布的报道，结合ADCP操作软件(WinRiver)的说明书，在介绍其非实测区流速推算方法的基础上，设计并用VisualBasic实现

2、了一款ADCP非实测区流速推算软件，以满足实际应用的需要。关键词:ADCP.非实测区；流速中图分类号:TH764文献标识码:A文章编号：1006-009X(2008)014)041-04DesignandrealizationofvelocitycalculatedsoftwareforADCPsunmeasuredpartsZhangHui1,WeiQi-wei2,YangDe-guo2(1.HuazhongAgriculturalUniversity,CollegeofFishery,Wuhan430070,C7i:na2.YangtzeRiverFisheriesResearchInst

3、itutetChineseAcademyofFisheriesSciences,Jingzhou434000,Cftina)Abstract:ADCPapplieswidelyintheriverdischargemeasurementbutithasunmeasuredpartsinthecrosssectionduringdischargemeasurementprocess,thisbringsinconvenientinpracticalforthatneedsvelocityofflowintheseregion.Thispaperbasedonthepriorresearchabo

4、utverticalvelocitydistributioninriver,accordingtotheinstructionbookletofADCPsoperationsoftware(WinRiver)firstintroducedthevelocitycalculatedmethodsintheunmeasuredparts,thendesignedandusingVisualBasictorealizeavelocitycalculatedsoftwareforADCPsunmeasuredparts*soastosatisfythepracticalapplication.Keyw

5、ords:ADCP；unmeasuredparts；velocityofflow收稿日期,2007-06-12.作者简介，张梓(1982-),男，硕士研究生.研究方向I生态水力学.ADCP(AcousticDopplerCurrentProfiler)中文通常译为声学多普勒流速剖面仪，是一种利用声学多普勒原理测验水流速度剖面并能实时计算流最的仪器。它广泛应用于近海区域、海岸港口、河口、内陆河流和湖泊等水域流态的测量。用ADCP进行河流流量测验大约有十几年的历史,由于其比传统的河流流量测验方法效率提高几十倍，所以其在河流流域测验过程中的应用较为普遍。需要注意的是,ADCP在断面流量测验过程中，实

6、际测量的区域仅为断面的中部区域,断面的表层、底层和两侧近岸水域存在一定范围实际测不到或测不准的区域，虽然ADCP的操作软件(如WinRiver等)可以根据实测区数据来推算各个非实测区的流量,但在这些软件中却并没能给出各个非实测区的流速，这在一些需要非实测区流速的实际应用中造成了不便。部分学者对此曾经进行过一些研究J,本文根据已有文献关于明渠垂线流速分布的报道，结合WinRiver软件的说明书，设计并实现了一款ADCP非实测区42流速推算软件，以满足实际应用的需要。1ADCP非实测区ADCP能够实际测量的区域为断面的中部区域，这个区域称为ADCP实测区。而在实测区之外的四个边缘区域内，ADCP则

7、不能提供测量数据或有效测量数据，这四个区域统称为非实测区。第一个区域靠近水面（表层），其厚度大约为ADCP换能器入水深度.ADCP盲区、以及深度单元尺寸一半之和。第二个区域靠近河底（底层），称为“旁瓣”区（河底对声束的干扰区），其厚度取决于ADCP声束角（即换能器与ADCP轴线的夹角）。例如对于声束角为20的ADCP,相应的“旁瓣”区厚度大约为水深的6%。第三和第四个区域为靠近两侧河岸的区域，因其水深较浅,测最船不能靠近或者ADCP不能保证在垂线上至少有一个或两个有效测量单元的区域。非实测区的流速和流量需要通过实测区数据来推算。2非实测区流速推算方法2.1表层和底层流速推算已有许多文献介绍关于

8、明渠垂线流速分布规律的报道。对于表层和底层非实测区，各有4种方法来推算其流速。同时适用于表层和底层非实测区流速推算的有麝函数流速剖面方法、对数函数流速剖面方法和常数流速剖面方法。蓦函数和对数函数流速剖面方法应用比较普遍，而常数流速剖面方法则应用较少。三点斜率法（3PointSlope）和无位移方法（NoSlip）则是比较新的流速推算方法,它们分别适用于表层和底层非实测区。几种方法介绍如下：a）慕函数流速剖面方法19世纪后期，人们根据大量的明渠和管道试验资料，得到的幕函数垂线流速分布公式为：=（1）式中:如为明渠水流表面流速为从河底边界至计算点的距离;H为水深已为指数,是与河底相对糙率有关的参数

9、，对于不同水流条件与边界条件取值可能不同。此式为纯经验公式。根据式（1）求解的参数即可推算出表层和底层非实测区内的流速。气象水丈海洋仪器b）对数函数流速剖面方法Mar.2008姚仕明等（2005）报道的垂线流速分布的无尾流函数项对数流速公式为：行=n（矿）+B（2）式中:m为:y处的流速；少=Ji月I为摩阻流速M为卡门常数，在清水中一般取420.4；）为从河底边界至计算点的距离;知为床面粗糙度；B为常数。因壬对某一垂线与相应的水流条件下是常数,所以由（2）式可知，天然河流实测的垂线流速分布是否服从对数分布，关键是看u和Iny是否满足线性关系。为便于分析，可将（2）式变换为：u=AIn（告）+C

10、（3）式中A=，C=（AB+In（W）。根据式（3）求解的参数也可推算出表层和底层非实测区内的流速。c）常数流速剖面方法常数流速剖面方法假定表层流速为常数，其值等于第一个深度单元的流速。则微断面内表层平均流速x方向分量为3方向分量类似）:VXT=x./；rrt（4）类似地，底层流速也假定为常数，其值等于最后一个有效单元的流速。则微断面内底层平均流速X方向分域为3方向分量类似）:VrfUr.ioa（5）应该注意的是，常数流速剖面方法假定河底处流速不等于零,这与实际情况不符。因此，应用这种方法时应注意,一般还是采用慕函数和对数函数流速剖面方法较好。d）三点斜率法和无位移方法三点斜率法用于推算表层非

11、实测区的流速，它通过最顶部的三个有效单元估计一个斜率，然后用这个斜率从最顶部的有效单元向水表面推算流速，如果微断面内少于6个有效单元，则假设其斜率为笨。无位移方法用于推算底层非实测区的流速，它假设河底处的流速为零，并使用底层20%深度内的有效单元来构造一个慕函数，如果底层20%深度内的有效单元数据出现了缺失，则使用最底层的一个有效单元来推算o2.2岸边流速推算对于岸边非实测区域，可以利用经验方法推算流速和流量。岸边区域平均流速的计算公式43张辉，等：ADCP非实测区流速推算软件的设计与实现(,怎)蹙图1测流垂线淹速分布及其函敷拟合曲线第1行表层非实测区东向速度分量第2右表层非实测区北向速度分量

12、第3行表层非实测区垂向速度分量第4行底层非实测区东向速度分域第5行底层非实测区北向速度分量第6行底层非实测区垂向速度分量位置含义为:（6）式中:/为岸边区域平均流速;V”为起点微断面（或终点微断面）内的深度平均流速厦为岸边流速系数。水利部“河流流量测验规范”（GB50179-93）规定的岸边流速系数见表1。美国地质调查局（USGS）对于三角形岸边区域（即水深均匀地变浅至零的斜坡岸边）采用的岸边流速系数为0.707。衰1岸边流速系数岸边情况a值水深均匀地变浅至零的斜坡岸边0.670.75不平整0.8光滑0.9死水与流水交界处的死水边0.63实例验证为了检验上述方法在实际应用中的可行性，在长江葛洲

13、坝下江段选取垂线流速测量点5个。采用WHM300型ADCP.Trimble5700型GPS和AutoComp1000型罗经仪进行脉动流速测帛:。连续测漏时间超过100s,其时均平均流速垂线分布及其函数拟合规律如图1和表2所示。可见其拟合程度较高，在实际应用中有较大的价值。表2垂线流速的函敷分布规律测流垂.祇函数对数函数线编号Ua1/mR2ACR213-2126.740.0770.7378.893126.640.72715-2185.660.1030.94216.725184.780.93917-2219.320.1110.97420.494217.740.96519-2268.450.1320

14、.93530.592266.750.94021-2300.350.2340.99357.963296.790.9884软件设计及程序实现由于ADCP所测的为三维流速，即提供了地球坐标系下东向、北向和垂向（向上为正）的速度分量，应用如上的方法，可以方便地推算出东向和北向的速度分量，如果将其应用到垂直方向，还可以推算出垂向的速度分量。与用ASCII数据文件记录的测流结果一样，非实测区流速推算结果同样用ASCII数据文件来表示，以便于其它程序的调用。结果文件第1行包括6个数据，分别表示左岸东向、左岸北向、左岸垂向、右岸东向、右岸北向和右岸垂向的速度分帛:，然后从第2行开始,每一个呼集合（Ensemb

15、le）表层和底层非实测区流速推算结果用6行数据来表示（表3）,同一行内不同深度推算出的流速数据用空格符进行分隔，采用同样的方法可依次表示每一个呼集合表层和底层非实测区的流速。衰3衰层和底层非实测区流速推算结果衰示方法程序采用VisualBasic6.0来实现，主要应用了FileSystemObject和TextStream对象，结果用.txt格式文件来存放，其工作界面图略。其中表层和底层非实测区流速推算方法（Method）可选文中介绍的4种方法中的任一种。籍函数指数（PowerCurve）可以根据需要进行设置，也可以和对数函数的参数一样，由软件根据ADCP所测每条测流垂线上的流速自动计算出。非

16、实测区深44-44-气象水文海洋仪器Mar.2008度单元（DepthCellforTop/BottomParts）可以根据需要进行设置，两岸非实测区边部平均数据（Shore）和岸边流速系数（Coefficient）也可以根据需要进行设置。5结束语采用软件求得非实测区流速，方便准确，能够满足实际应用的需要。推算结果用ASCII数据文件来表示，很方便于其它程序的调用，增加了软件的可用性。虽然零盲区技术使得表层非实测区有所减少，但4个非实测区依然存在，所以如果有必要，其同样可以应用于零盲区ADCP非实测区流速的推算。参考文献：1黄河宁.ADCP河流流缺测验原理和方法M.美国：亚迪仪器公司（RDIn

17、struments）2003.C2王爱军，汪亚平，高抒.声学多普勒流速仪盲区数据处理及其在长江河口区的应用J水利学报,2004,（10）:77-82.3潘仁红，黄燕德.关于走航式ADCP测流盲区计算问题的探讨tJ.气象水文海洋仪器,2005,（1）：812.4RDInstruments.WinRiverUsersGuide（InternationalVersion）M/CDJ.USA：RDInstruments2003.5姚仕明，卢金友，徐海涛.黄陵庙水文断面垂线流速分布特性研究J1长江科学院院报,2005,220:8-11.征稿启事征稿内容气象水文海洋仪器是面向国内外公开发行的国家二级科技类

18、期刊。本刊为季刊，国际标准16开本，国际标准连续出版物号ISSN1006-009X,国内统一刊号CN22-1135/TH,现已纳入中国学术期刊（光盘版）、中文科技期刊数据库和万方数据期刊网。主要刊登气象、水文、海洋仪器行业及相关行业（如大学、研究院所、部队、民航、环保、监测、地质、质8：检测中心、电子、计算机、通讯等等）的论文、综述、评论、报道及译文等。稿件内容：共有技术及气象、水文、海洋仪器相关的仪器仪表、设备、传感器技术、数据采集、自动控制技术、机电一体化、计算机应用技术、图象处理技术、网络技术、通讯技术、信息处理、国内外发展动态、质缺检测、设备维护及检修、标准应用、管理等方面均可。欢迎从

19、事气象、水文、海洋仪器及相关行业的专家、科研、生产、管理人员及大专院校的相关专业师生投稿。投稿要求文稿书写顺序题目、作者姓名、作者单位和所在城市名及邮政编码、摘要、关键词、中图分类号、文献标识码、正文、参考文献；英文译文（文章题目到关键词）。具体内容要求：禽目：20字以内；作者及单位：见本刊文章例；摘要：300字左右，关键词：38个词；中图分类号：按中国图书馆分类法（第4版）标注。正文：文章起始段不加标题（宋体，5号字）；标题使用阿拉伯数字连续编号（用Word文本中的“格式”菜单下的“项目符号和编号进行），如“1;“1.2。“1.2.3”；一级标题（黑体，小4号字）；二级标题（黑体，5号字）；三级标区（悟体，5号字）。-至三级标题一律顶格。四级以上标题【用、a等标注，米体，5号字】前面空2格；图及表格的标题；数学公式中的英文、希腊字母要清楚，所有物理量符号用斜体3